JPH0528280A - Light beam tracking method - Google Patents

Light beam tracking method

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JPH0528280A
JPH0528280A JP20553991A JP20553991A JPH0528280A JP H0528280 A JPH0528280 A JP H0528280A JP 20553991 A JP20553991 A JP 20553991A JP 20553991 A JP20553991 A JP 20553991A JP H0528280 A JPH0528280 A JP H0528280A
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JP
Japan
Prior art keywords
ray
small area
tree
subtree
image
Prior art date
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Pending
Application number
JP20553991A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Naruse
正 成瀬
Mikio Shintani
幹夫 新谷
Takafumi Saito
隆文 斉藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication of JPH0528280A publication Critical patent/JPH0528280A/en
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Abstract

PURPOSE:To realize high-speed light beam tracking processing at the time of generating an image by tracking a light beam by using object definition data of graded tree structure. CONSTITUTION:Graded object definition data of tree structure is given with regard to the object space of an image generation object as a given figure. A partial tree consisting an object projected on a small space 2' is dynamically prepared at the respective small spaces of an image face (screen) 2 by using object definition data graded into the tree structure. Then, a beam is tracked at the respective small spaces of the image face 2 by using the partial tree, the values of the respective picture elements of the small spaces are obtained and the image is generated. At this time, a partial tree is furthermore prepared and light beam is similarly tracked with regard to reflection and refraction light. The processing is repeated with regard to the respective small spaces.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光線追跡方法による画像
生成の分野にかかり、詳しくは光線追跡法の高速処理方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of image generation by a ray tracing method, and more particularly to a high speed processing method of the ray tracing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】光線追跡方法による画像生成法は、視点
から物体の方向に向かって光線を追跡し、光線が物体と
交差すれば、その点における物体の輝度を求めて画像面
(スクリーン)に投影し、画像を生成する手法である
が、その問題点は計算にかなりの時間を要することであ
る。この計算時間の大半は、光線と物体の交差判定に費
やされる。そのため、交差判定回数の削減を狙ったデー
タ構造やアルゴリズムの提案が行われる。
2. Description of the Related Art An image generation method using a ray tracing method traces a ray from the viewpoint toward the object, and if the ray intersects the object, the brightness of the object at that point is obtained and the image plane (screen) is displayed. This is a method of projecting and generating an image, but its problem is that the calculation takes a considerable amount of time. Most of this calculation time is spent on the intersection determination between the ray and the object. Therefore, a data structure and an algorithm aiming to reduce the number of intersection determinations are proposed.

【0003】光線追跡アルゴリズムの高速化の本質は、
つきつめれば、画像面の各画素に対して、その画素に投
影される物体を効率よく求めることにある。それを目的
として従来より種々の高速化技法が提案されてきた。従
来の手法を分類すると、データの階層化とBoundind
Volume(BV)の使用、Ray coherencyの利用に大
きく分けられる。
The essence of speeding up the ray tracing algorithm is
In other words, for each pixel on the image plane, the object projected on that pixel can be efficiently obtained. For that purpose, various speed-up techniques have been proposed conventionally. When the conventional methods are classified, data hierarchy and Boundind
The use of Volume (BV) and the use of Ray coherency are roughly divided.

【0004】物体定義データの階層化とBVの使用によ
り交差判定回数の削減を図る方法はよく知られている。
OctreeやConstructiveSolid Geometry(CSG)モ
デルを用いた階層化はその一例である。これらのモデル
では階層化された木の各ノードに対し、そのノードの子
孫となる葉ノードの物体リミティブをすべて包含するよ
うなBVを必要に応じて設定いる。これらのBVに対し
て交差判定を行うことにより交差計算の回数を大幅に削
減できる。「BVの体積を小さくするほど物体と交差す
る光線の数は少なくなる」という事実に基づいて、体積
ができるだけ小さくなるBVを効率的に求める検討が行
われている。
It is well known how to reduce the number of intersection determinations by hierarchizing object definition data and using BV.
Hierarchization using an Octree or Constructive Solid Geometry (CSG) model is one example. In these models, for each node of a hierarchical tree, a BV that includes all the object limits of leaf nodes that are descendants of the node is set as necessary. By performing the intersection determination on these BVs, the number of intersection calculations can be significantly reduced. Based on the fact that "the smaller the volume of BV, the smaller the number of rays that intersect the object", studies are being made to efficiently find a BV whose volume is as small as possible.

【0005】一方、Arvoらは光線を視点と方向で分類
し、類似した光線をグルーピングして、それらの光線と
交差する物体の候補を求めることにより交差判定する物
体の候補を求めることにより交差判定する物体の候補数
を削減する手法を提案している(Arvo J.,Kirk
D.:“Fast Ray Tracing by ray Classificatio
n”,Comput.Graphics,Vol.21.No.4,pp.55
−64,Jul.1987)。この方法は、候補物体の分
別が効率よくできるので、光線追跡法の高速化効果が大
きい。
On the other hand, Arvo et al. Classify rays according to the viewpoint and direction, group similar rays, and obtain candidates for objects that intersect with these rays, thereby obtaining intersection candidates by obtaining candidate objects for intersection determination. We have proposed a method to reduce the number of candidate objects (Arvo J., Kirk).
D .: “Fast Ray Tracing by ray Classicificatio
n ”, Comput. Graphics, Vol. 21. No. 4, pp. 55
-64, Jul. 1987). This method can efficiently classify candidate objects, and thus has a large effect of speeding up the ray tracing method.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記いずれの方法も高
速化効果は大きいが、さらに高速な処理を実現する必要
がある。従来の手法は、階層化された木構造をそのまま
使って光線追跡を行っていたために、少なくとも木の深
さの交差判定計算が必要であり、これが、計算量削減の
隘路となっていた。
Although any of the above methods has a great effect on speeding up, it is necessary to realize higher speed processing. In the conventional method, since the ray tracing is performed using the hierarchical tree structure as it is, at least the intersection determination calculation of the tree depth is necessary, which is a bottleneck for reducing the amount of calculation.

【0007】本発明の目的は、光線を追跡して物体の輝
度を求めながら画像を生成する方法において、高速化効
果が極めて高い光線追跡方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a ray tracing method which has an extremely high speed-up effect in a method of generating an image while tracing a ray to obtain the brightness of an object.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1は、視点から物体の方向に向かって光線を
追跡して物体の輝度を求めながら画像を生成する方法に
おいて、木構造に階層化された物体定義データを用い、
画像面の小領域毎に、該小領域に投影される物体からな
る部分木を動的に作成し、該部分木を利用して光線追跡
を行うことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of generating an image while tracing a ray from a viewpoint toward a direction of an object to obtain the brightness of the object is a tree structure. Using the object definition data layered into
A feature is that, for each small area of the image plane, a partial tree composed of an object projected on the small area is dynamically created, and ray tracing is performed using the partial tree.

【0009】請求項2の発明は、追跡する光線に対し
て、部分木の各ノードに設定されたバウンディングボリ
ュームを視点からの距離の近い順に動的に並べ換えて、
該距離の近い順に部分木を探索することを特徴とする。
According to a second aspect of the invention, the bounding volumes set for the respective nodes of the subtree are dynamically rearranged in order of decreasing distance from the viewpoint with respect to the ray to be traced,
It is characterized in that the subtrees are searched in the ascending order of distance.

【0010】請求項3の発明は、小領域に投影される物
体が同一の物体で占められるか否か判定し、同一の物体
で占められる場合には該小領域内での部分木の探索を省
略することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, it is determined whether or not the objects projected on the small area are occupied by the same object, and when the objects are occupied by the same object, the subtree search in the small area is performed. It is characterized in that it is omitted.

【0011】請求項4の発明は、反射・屈折光線につい
ては、小領域毎に、該小領域から反射・屈折する光線の
大多数を包含する角錘あるいは円錐を作り、該角錐ある
いは円錐に含まれる物体からなる部分木を動的に作成
し、該部分木を利用して光線追跡を行うことを特徴とす
る。
According to the fourth aspect of the present invention, for reflected / refracted light rays, a pyramid or a cone including the majority of the light rays reflected / refracted from the small area is formed for each small area and included in the pyramid or the cone. It is characterized in that a subtree consisting of objects is dynamically created and ray tracing is performed using the subtree.

【0012】[0012]

【作用】本発明では、与えられた木構造の物体定義デー
タから部分木を動的に作り、木の深さを浅くすることに
より、画像面(スクリーン)の小領域に投影される物体
数は少なくなり、交差判定回数を削減することができ
る。さらに、部分木の各ノードレベルでの視点からの距
離によるソーティング、小領域内の物体の一様性テスト
を加えることにより、光線と交差する候補物体の絞り込
みが極めて効率よくでき、さらに高速処理が可能にな
る。また、反射・屈折光については、小領域毎に更に部
分木を作り、該部分木を利用して光線追跡を行うことに
より、1次光線のみならず反射・屈折光による光線追跡
の画像も同時に生成される。
In the present invention, the number of objects projected onto the small area of the image plane (screen) is reduced by dynamically creating a subtree from the given object definition data of the tree structure and reducing the depth of the tree. Therefore, the number of intersection determinations can be reduced. Furthermore, by sorting by the distance from the viewpoint at each node level of the subtree, and by adding the uniformity test of the objects in the small area, the candidate objects that intersect the ray can be narrowed down very efficiently, and high-speed processing is possible. It will be possible. For reflected / refracted light, a subtree is further created for each small area, and ray tracing is performed using the subtree, so that not only the primary ray but also the ray traced image by reflected / refracted light is simultaneously displayed. Is generated.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面により
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1(a)は本発明の光線追跡方法の原理
図を示している。図1において、1は目(視点)、2は画
像面(スクリーン)、3は物体空間、4は光線である。
画像生成対象の物体空間3上には多数の物体(プリミテ
ィブ)Piがある。この物体空間3を、各部分空間に含
まれるプリミティブが1個になるまで階層的に分割し、
各部分空間に対して、その空間に入るプリミティブをす
べて包含するバウンディングボリューム(BV)を作
り、物体の定義データを階層化する。図1(a)の物体
空間3に対応する物体定義データの階層化構造を図1
(b)に示す。ここで、丸印はノードであり、バウンデ
ィングボリューム(BV)に対応するノードBViは、
当該BVの座標等を表わし、物体(プリミティブ)に対
応するノードPiは、当該物体の方程式、表面属性、中
心位置等を表わす。なお、この物体定義データの階層化
については後述する。
FIG. 1A shows the principle of the ray tracing method of the present invention. In FIG. 1, 1 is an eye (viewpoint), 2 is an image plane (screen), 3 is an object space, and 4 is a light ray.
There are many objects (primitives) Pi in the object space 3 of the image generation target. This object space 3 is hierarchically divided until each subspace contains one primitive,
For each subspace, a bounding volume (BV) that contains all the primitives that enter the space is created, and the definition data of the object is hierarchized. The hierarchical structure of the object definition data corresponding to the object space 3 in FIG.
It shows in (b). Here, the circles are nodes, and the node BVi corresponding to the bounding volume (BV) is
The node Pi that represents the coordinates of the BV and corresponds to the object (primitive) represents the equation, surface attribute, center position, and the like of the object. The layering of the object definition data will be described later.

【0015】本発明では、画像面(スクリーン)2を多
数の小領域2′に分割し、あらかじめ与えられた物体定
義データの階層化構造を参照して、各小領域毎に交差判
定を行い、該小領域に投影される物体からなる部分木を
動的に作成する。そして、この部分木を利用して光線追
跡を行い、各小領域毎に、該小領域に投影される物体の
輝度を求め、画像面2にプロットする(レンダリン
グ)。この時、反射光線(屈折光線)4′があれば、そ
れに対する部分木も動的に生成し、該部分木を利用し更
に光線追跡を行い、反射(屈折)物体の画像も該当小領
域に重ねてプロットする。以上の処理を各小領域につい
て繰返し実施する。
According to the present invention, the image plane (screen) 2 is divided into a large number of small areas 2 ', and the intersection judgment is performed for each small area by referring to the hierarchical structure of the object definition data given in advance. A subtree consisting of objects projected onto the small area is dynamically created. Then, ray tracing is performed using this subtree, the brightness of the object projected on each small area is obtained for each small area, and the brightness is plotted on the image plane 2 (rendering). At this time, if there is a reflected ray (refraction ray) 4 ', a partial tree corresponding to it is also dynamically generated, ray tracing is further performed using this partial tree, and the image of the reflection (refraction) object is also included in the corresponding small area. Overlay and plot. The above process is repeated for each small area.

【0016】図2及び図3に本発明の光線追跡方法によ
る画像生成処理の一実施例のフローチャートを示し、図
4に画像面(スクリーン)を小領域に分割する説明図を
示す。
2 and 3 are flowcharts of an embodiment of the image generation processing by the ray tracing method of the present invention, and FIG. 4 is an explanatory view of dividing the image plane (screen) into small areas.

【0017】図2は、木構造に階層化された物体定義デ
ータを用いて、画像面2の小領域2′毎に光線とBVあ
るいは物体(プリミティブ)との交差判定を行い、該小
領域に対する部分木を作成するまでの処理である。本実
施例では、処理は、画像面2の各小領域について、水平
方向に左から右、垂直方向に上から下の順に行うとして
いる。図4は、作成された部分木を用いて光線追跡を行
い(反射屈折光の追跡も行う)、一つの小領域につい
て、それに投影されるプリミティブのレンダリングを行
う部分である。該レンダリングを各小領域について繰返
し行う。
In FIG. 2, the object definition data hierarchized in a tree structure is used to determine the intersection of a ray and a BV or an object (primitive) for each small area 2'of the image plane 2, and the small area is defined. This is the process until the subtree is created. In this embodiment, the processing is performed for each small area of the image plane 2 in the horizontal direction from left to right and in the vertical direction from top to bottom. FIG. 4 shows a part in which ray tracing is performed using the created subtree (also tracing of catadioptric light is performed), and rendering of a primitive projected on one small area is performed. The rendering is repeated for each small area.

【0018】なお、図2及び図3の処理は、実際にはす
べてコンピュータ上で実施されるものである。以下に、
主な処理について詳述する。
The processes shown in FIGS. 2 and 3 are actually carried out on a computer. less than,
The main processing will be described in detail.

【0019】物体定義データの階層化 空間の分割法として、一様分割と、非一様分割がある。
どちらを選択するかは、データ構造を作るコストと光線
追跡のコストを総合して決めるべきであるが、一般には
データに依存するので、善し悪しは一概にはいえない。
ここでは、後者の分割を考える。後者の分割は木構造と
なる。具体的には空間をk個の部分空間に分割し、物体
(プリミティブ)をそれぞれの部分空間に分ける。プリ
ミティブが部分空間を跨ぐ場合は、いずれかの部分空間
に入れる。たとえば、体積を最も大きく共有する部分空
間に入れる。各部分空間が含むプリミティブが1個にな
るまでこの分割を再帰的に続ける。分割が終わったら、
各部分空間に対し、その空間に入るプリミティブをすべ
て包含するバウンディングボリューム(BV)を作る。
この分割により、k進木のデータ構造ができる。kの値
を決定する必要がある。
Hierarchization of Object Definition Data Space division methods include uniform division and non-uniform division.
Which one should be selected should be decided by combining the cost of creating the data structure and the cost of ray tracing, but since it generally depends on the data, good or bad cannot be generally stated.
Here, consider the latter division. The latter division has a tree structure. Specifically, the space is divided into k subspaces, and the object (primitive) is divided into respective subspaces. If the primitive spans a subspace, put it in one of the subspaces. For example, put it in a subspace that shares the largest volume. This division continues recursively until each subspace contains one primitive. When the division is over,
For each subspace, create a bounding volume (BV) that contains all the primitives that enter that space.
This division creates a k-ary tree data structure. It is necessary to determine the value of k.

【0020】木が平衡していれば次のように決めること
ができる。今、図5に示するようにk進木で階層化した
とする。この木の各中間ノードにはBVが設定されてい
る。この木を使って光線追跡すると、各光線に対して、
まず、ルートノードのすべての子ノードに設定されたB
Vと交差判定が行われる。ついで、これらのノードのう
ち1つのノードが何らかの方法で選択され、そのすべて
の子ノードに対して交差判定が行われる。もし、バック
トラックなしに、葉ノードまで交差判定が進めば、その
光線に対する交差判定回数Nは、
If the trees are balanced, the following can be determined. Now, assume that hierarchization is performed using a k-ary tree as shown in FIG. BV is set to each intermediate node of this tree. Ray tracing using this tree, for each ray,
First, B set for all child nodes of the root node
Crossing judgment with V is performed. Then, one of these nodes is selected in some way, and intersection determination is performed for all its child nodes. If the intersection determination proceeds to the leaf node without backtracking, the number N of intersection determinations for that ray is

【数1】 となる。ここで、nはプリミティブ数である。[Equation 1] Becomes Here, n is the number of primitives.

【0021】nを固定したときNを最小化するkは、k
=e(自然対数の底)である。kは整数であるから実際
にはk=3がNの最小値を与える。ついで、k=2,4
となる。2と4は同じ値を与える。したがって、3進木
あるいは2(4)進木構造とするのが有効である。すな
わち、バックトラックが起ないか、あるいは発生が非常
に少ないノード選択方法が与えられれば、3あるい2
(4)進木による階層化が有利となる。以下では、他の
高速化技法との親和性を考えて2進木を用いる。図1
(b)は2進木の簡単な例である。
K which minimizes N when n is fixed is k
= E (base of natural logarithm). Since k is an integer, k = 3 actually gives the minimum value of N. Then k = 2,4
Becomes 2 and 4 give the same value. Therefore, it is effective to have a ternary tree or 2 (4) -ary tree structure. That is, if backtracking does not occur or a node selection method with very few occurrences is given, 3 or 2
(4) Hierarchization by using a progressive tree is advantageous. Below, a binary tree is used in consideration of affinity with other speed-up techniques. Figure 1
(B) is a simple example of a binary tree.

【0022】BVの形状と交差判定 BVはできるだけ体積が小さくなるように設定すること
が望ましいが、交差判定コストを考慮した設定をしなけ
ればならない。今、図6(a)に示すような各ノードに
BVが設定された木構造を考え、その画像面(スクリー
ン)への投影が図6(b)となったとする。ここで、投
影面積をSiで表す。ノードn1に光線が当れば、その
子ノードのBVとの交差判定が行われる。従って、n1
に光線が当たったという条件の下で、その子ノードとの
交差判定に要する時間Tは、画面全体で、
It is desirable to set the shape of the BV and the intersection determination BV so that the volume is as small as possible, but it is necessary to set the intersection determination cost in consideration. Now, let us consider a tree structure in which a BV is set in each node as shown in FIG. 6A, and assume that the projection on the image plane (screen) is as shown in FIG. 6B. Here, the projected area is represented by Si. When the ray hits the node n1, the intersection with the BV of the child node is determined. Therefore, n1
Under the condition that the ray hits, the time T required to determine the intersection with the child node is

【数2】 となる。ここで、C1はn1に設定されたBVとの交差
判定コストである。
[Equation 2] Becomes Here, C 1 is the intersection determination cost with the BV set to n1.

【0023】バックトラックがなければサーチする木の
各ノードに対してこの式が成立する。この場合には、こ
の式から、単純な形状のBVを用いても交差判定コスト
が低ければ、トータルの計算時間は少なくなり得る。
(投影面積が2倍になってもコストが半分なら計算時間
は同じである。)以下では、BVとして軸(世界座標)
に沿った直方体を用いる。
If there is no backtrack, this formula holds for each node of the tree to be searched. In this case, from this equation, the total calculation time can be reduced if the intersection determination cost is low even if a simple shape BV is used.
(Even if the projected area is doubled, if the cost is half, the calculation time is the same.) Below, the axis as BV (world coordinates)
Use a rectangular parallelepiped.

【0024】動的部分木 画像面(スクリーン)の各画素に対して、はじめに与え
られた木を利用して光線追跡するのは、無駄が多い。画
像面の小領域に投影されるプリミティブの数は限られて
いるからである。そこで、与えられた木から小領域毎に
動的に部分木を作り、小領域の中では部分木を利用して
光線追跡をすることが考えられる。ここでは、1次光線
(視点から追跡する光線)について述べる。小領域とし
て、正方形領域あるいは長方形領域をとれば、部分木
は、視点と領域の4隅の点から作られる角錐に入るかあ
るいは角錐と交差するプリミティブから作られる(この
角錐内の光線の束を光束とよぶ)。この作成コストが高
いと不利であるが、実際にはそれは低いことが次の考察
からわかる。
Dynamic Partial Tree It is wasteful to perform ray tracing for each pixel on the image plane (screen) using the tree given first. This is because the number of primitives projected on the small area of the image plane is limited. Therefore, it is possible to dynamically create a subtree for each small area from a given tree and perform ray tracing using the partial tree in the small area. Here, the primary ray (ray traced from the viewpoint) will be described. If a small area is a square area or a rectangular area, a subtree is created from a primitive that intersects with or intersects a pyramid formed by the four corner points of the viewpoint and the area (the bundle of rays within this pyramid is Called luminous flux). It is disadvantageous if this production cost is high, but it is actually low from the following consideration.

【0025】(イ)角錐作成 角錐は4つの平面から構成されるが、これらの平面を小
領域毎に求める必要はない。画像面上で水平方向に並ん
だ小領域に対する角錐では、水平方向の面(上下2面あ
る)はいずれの角錐にも共通で同じ平面となる(例え
ば、図4のHF0とHF1など)。垂直方向に並んだ小領
域では、垂直方向の面に対して同様の関係が成立する
(図4のVF0とVF1など)。また、隣接する面は共有
できる。平面の法線方向の半空間を外側、反対側を内側
とすることにより、角錐の内部は一意に規定できる。従
って、画像面の大きさをn×n、小領域の大きさをm×
mとすれば、全体で必要な平面の数は2(n/m+1)
となる。
(A) Pyramid creation The pyramid is composed of four planes, but it is not necessary to obtain these planes for each small area. In the case of pyramids for small areas arranged in the horizontal direction on the image plane, the planes in the horizontal direction (the upper and lower surfaces are the same) are common to both pyramids (for example, HF 0 and HF 1 in FIG. 4). . In the small regions arranged in the vertical direction, the same relationship holds for the vertical planes (VF 0 and VF 1 in FIG. 4). Also, adjacent surfaces can be shared. The inside of the pyramid can be uniquely defined by setting the half space in the normal direction of the plane to the outside and the opposite side to the inside. Therefore, the size of the image plane is n × n, and the size of the small area is m × n.
If m, the total number of planes required is 2 (n / m + 1)
Becomes

【0026】(ロ)動的部分木作成 木の各ノードに4つのフラグを与える。各フラグは、角
錐の面に対応し、ノードに対応するBVあるいはプリミ
ティブが面の内側にあるか、外側にあるか、あるいは交
差するかを示す。木のルートノードからはじめて各ノー
ドのフラグを設定している。これは図2の交差判定で求
まる。このとき、あるノードでの面の内側かあるいは外
側になったらその子ノード以下の当該面に対するフラグ
設定は不要となる。これは、BVのもつ性質から明らか
である。
(B) Four flags are given to each node of the dynamic subtree creation tree. Each flag corresponds to the surface of the pyramid and indicates whether the BV or primitive corresponding to the node is inside, outside or intersects with the surface. The flag of each node is set starting from the root node of the tree. This is obtained by the intersection determination in FIG. At this time, if it is inside or outside the surface at a certain node, it is not necessary to set a flag for the surface below the child node. This is clear from the property of BV.

【0027】画像生成を小領域内、ついで水平方向の小
領域の順に行うとすれば、水平方向に並んだすべての小
領域に対して、水平面に対するフラグは共通に使用でき
る。また、垂直直面に対するフラグ設定は、水平面に対
するフラグを参照することにより、不要な内外判定を省
くことができる。図2は、このような処理を示してい
る。これらのフラグを参照しながら部分木を構成する。
すなわち、角錐と交差するかあるいは角錐に含まれるB
Vおよびプリミティブだけからなる部分木を構成する。
このとき、図7に示す最適化も行う。作り方から明らか
なように枝刈の効果が働くので、部分木作成コストは低
く抑えることができる。なお、ここで述べた部分木作成
法は2次光線(反射・屈折光)に対しても同じように適
用できる。
If the image generation is performed in the small areas and then in the horizontal small areas, the flag for the horizontal plane can be commonly used for all the small areas arranged in the horizontal direction. Further, with respect to the flag setting for the vertical face, unnecessary inside / outside determination can be omitted by referring to the flag for the horizontal plane. FIG. 2 shows such a process. A subtree is constructed with reference to these flags.
That is, B that intersects with the pyramid or is included in the pyramid.
Construct a subtree consisting only of V and primitives.
At this time, the optimization shown in FIG. 7 is also performed. Since the effect of pruning works as apparent from the method of making, the cost of making a subtree can be kept low. The subtree creation method described here can be similarly applied to secondary rays (reflected / refracted light).

【0028】ソーティング より視点に近いプリミティブが画像面に投影され、その
プリミティブを包含するBVは他のプリミティブを包含
するBVと比べてもより視点に近い場合が多い、という
事実に基づいて、部分木の各レベルで視点からの距離に
よるソーティングを行う。すなわち、あるノードのBV
と光線が交差し、その子ノードに対して交差判定を行う
必要が生じたら、子ノードを視点からの距離の近い順に
並べ替える。これは、光線毎に行う。
Based on the fact that a primitive closer to the viewpoint than the sorting is projected on the image plane and the BV containing the primitive is often closer to the viewpoint than the BV containing other primitives. Sorting by distance from the viewpoint at each level. That is, the BV of a certain node
When the ray intersects and it becomes necessary to make an intersection determination for the child node, the child nodes are rearranged in the order of closer distance from the viewpoint. This is done for each ray.

【0029】深さ方向優先の木探索を行う場合、木の各
レベルでソーティングが行ってあれば、図8に示すよう
に、ある子ノード以下を探索して得られたプリミティブ
の視点からの距離が次の子ノードに設定されたBVの視
点からの距離より近いとき、その子ノード以下の探索は
不要となる。このようにして、ソーティングを利用した
枝刈ができる。
In the depth-first tree search, if sorting is performed at each level of the tree, as shown in FIG. 8, the distance from the viewpoint of the primitive obtained by searching a certain child node or less. Is closer than the distance from the viewpoint of the BV set for the next child node, the search below the child node is unnecessary. In this way, pruning using sorting can be performed.

【0030】2進木を用いれば、子ノードのソーティン
グは1回の比較だけで済み、極めて効率がよい。ここに
2進木を用いた理由がある。
If a binary tree is used, the sorting of the child nodes needs only one comparison, which is extremely efficient. Here is the reason for using the binary tree.

【0031】小領域内の一様性テスト 小領域内が同一のプリミティブの投影像であることが何
らかの方法でわかれば、この領域では、そのプリミティ
ブのレンダリングを行えばよい。このことは、領域内で
木の探索が不要となることを意味し、高速化に与える効
果は大きい。また、このテストは、できる限り単純なも
のであることが要求される。
Uniformity test in small area If it is known in some way that the small area is a projected image of the same primitive, the primitive may be rendered in this area. This means that it is not necessary to search for a tree in the area, which has a great effect on speeding up. Also, this test is required to be as simple as possible.

【0032】ここでは、次のような簡単なテスト法を行
う。小領域の4隅の点に対して光線追跡する。この段階
で、部分木は、4番目に追跡した光線でソーティングさ
れている。今、4隅の点のプリミティブが同一であった
とする。それをPとする。このとき、小領域内でプリミ
ティブPより視点に近いところに他のプリミティブが無
いことを調べればよい。部分木をLeft-most Depth-F
irstでサーチし、プリミティブQを見つける。Qは木の
一番左端にある。木の構成のしかたから、QはPより視
点に近い。PとQが同一でなければ、この領域は一様で
ないとする。PとQが同一であったとする。このときP
の弟ノードを調べる。弟ノードはプリミティブかBVが
設定されているかいずれかである。それをRとする。R
が4番目に追跡した光線と交差するか調べる。これは、
フラグをみるだけでよい。交差すれば、領域内は一様で
ある。そうでなければ、一様でないとする。
Here, the following simple test method is performed. Ray tracing is performed for points at the four corners of the small area. At this stage, the subtree is sorted by the ray traced fourth. Now, assume that the primitives at the four corners are the same. Let it be P. At this time, it suffices to check that there is no other primitive closer to the viewpoint than the primitive P in the small area. Subtree is Left-most Depth-F
Search on irst to find primitive Q. Q is on the far left of the tree. Due to the way the tree is constructed, Q is closer to the viewpoint than P. If P and Q are not the same, this area is not uniform. It is assumed that P and Q are the same. At this time P
Examine the younger brother node of. The younger brother node is either primitive or BV is set. Let it be R. R
Checks if it intersects the 4th traced ray. this is,
Just look at the flags. If they intersect, the area is uniform. Otherwise, it is assumed to be uneven.

【0033】このテストは領域内で一様のときに必ず一
様であるという判定を与えるものではないが、領域内が
一様と判定されとき、プリミティブPの前に他のプリミ
ティブが無いことは保証される。図9、図10にその例
を示す。図9(a)は一様でないと判定される例、同
(b)は本来一様であるにもかかわらず、一様でないと
判定される例である。図10は一様と判定される例であ
る。図10の場合、プリミティブの前面に別のプリミテ
ィブはないが、小領域内にプリミティブでない部分があ
るので、その部分に対して部分木を用いて追跡をするこ
とになる。なお、4隅にプリミディブが無いとき、領域
内にプリミティブが無いための条件は部分木が空である
ことである。
This test does not give a judgment that it is always uniform when it is uniform in the area. However, when it is judged that the area is uniform, it means that there is no other primitive before the primitive P. Guaranteed. An example thereof is shown in FIGS. FIG. 9A shows an example in which it is determined to be non-uniform, and FIG. 9B shows an example in which it is determined to be non-uniform although it is originally uniform. FIG. 10 is an example in which it is determined to be uniform. In the case of FIG. 10, there is no other primitive in front of the primitive, but there is a part that is not a primitive in the small area, so that the part is traced using a subtree. When there are no primitives at the four corners, the condition for no primitives in the area is that the subtree is empty.

【0034】領域内が一様でないときは、領域を2分割
して一様性テストをする。領域の大きさが閾値を下回ら
ない範囲で、これを再帰的に繰り返す。
When the area is not uniform, the area is divided into two and the uniformity test is performed. This is repeated recursively as long as the size of the area does not fall below the threshold.

【0035】反射・屈折光束の追跡 画面の矩形領域を通過する光束は角錐台で表現すること
が可能であり、これまでに述べてきた手法が適用でき
る。しかし、一般の反射・屈折光束を正確に記述するこ
とは困難である。ここでは、 反射・屈折光束を近似し、それを含む近似的な光束
のバウンディングボリューム(以下、PBVと呼ぶ)を
求める。 近似的なPBVに対し、部分木を求め、一様性のテ
ストを行う。 各反射・屈折光線に対し、で求めた近似PBVに
含まれるか否を調べ、含まれる場合にはで得られた結
果を利用する。 というアプローチをとる。ここで問題となるのは、いか
にして近似PBVを求めるかという点である。
Tracing of Reflected / Refracted Light Beam A light beam passing through a rectangular area of the screen can be represented by a truncated pyramid, and the methods described so far can be applied. However, it is difficult to accurately describe general reflected / refracted light beams. Here, the reflected / refracted light beam is approximated, and an approximate bounding volume (hereinafter referred to as PBV) of the light beam including it is obtained. For an approximate PBV, a subtree is obtained and a uniformity test is performed. For each reflected / refracted ray, it is checked whether or not it is included in the approximate PBV obtained in, and if it is included, the result obtained in is used. Take the approach. The problem here is how to obtain the approximate PBV.

【0036】光束の拡りが小さい場合には、近軸近似が
反射・屈折の近似として有効であることが知られている
(Shinya M.,Takahashi T.,Naito S.:“Prin
cipesand Applications of Pencil Tracing”,Com
put.Graphics,Vol.21,No.4,pp.45−54,
Jul.1987)。そこで、近軸近似を利用して近似P
BVを求めることにする。
It is known that the paraxial approximation is effective as an approximation of reflection and refraction when the spread of the light flux is small (Shinya M., Takahashi T., Naito S .: "Prin.
cipesand Applications of Pencil Tracing ”, Com
put. Graphics, Vol.21, No.4, pp.45-54,
Jul. 1987). Therefore, using the paraxial approximation, the approximation P
Let's get the BV.

【0037】近軸理論によれば、一点(たとえば視点)
を発した近軸光束は2つの焦線を持ち、その焦線の方向
は直交する。すなわち、近軸光束は図11に示すよう
に、互いに直交する交線を有する2つの平面の組に囲ま
れた領域として記述される。したがって、この領域を光
束の近似として用いることは合理的である。しかし、実
際の光束は理想的な近似光束ではなく、多くの光線が近
似光束の領域外にはみ出すことになる(図12
(a))。そこで、光束の4隅の光線を基に、近似光束
のPBVを求めることを考える。この求め方は多数存在
するが、簡単な方法として、4隅の光線の振れ角のうち
最も大きな角をPBVの拡り角とする手法がある。図1
2(a)に示した2次元の例では、|θ1|>|θ2|
であるので、図12(b)のようなPBVが得られる。
具体的には、以下の手順で近似光線PBVが求められ
る。
According to paraxial theory, one point (for example, viewpoint)
The paraxial light flux emitted from has two focal lines, and the directions of the focal lines are orthogonal to each other. That is, as shown in FIG. 11, the paraxial light flux is described as a region surrounded by a set of two planes having intersecting lines orthogonal to each other. Therefore, it is reasonable to use this area as an approximation of the luminous flux. However, the actual light flux is not an ideal approximate light flux, and many light rays are projected outside the area of the approximate light flux (FIG. 12).
(A)). Therefore, it is considered to find the PBV of the approximate light flux based on the light rays at the four corners of the light flux. There are many methods for obtaining this, but as a simple method, there is a method in which the largest angle of the deflection angles of the light rays at the four corners is used as the divergence angle of PBV. Figure 1
In the two-dimensional example shown in 2 (a), | θ1 |> | θ2 |
Therefore, the PBV as shown in FIG. 12B is obtained.
Specifically, the approximate ray PBV is obtained by the following procedure.

【0038】 画面小領域の4隅に対応する光線の反
射・屈折光線iをSnell則より求める。 得られた4本の光線の平均をとり、軸光線とする。 軸光線をz−軸とする適当な光線座標x−y−zを
求める。ただし原点は、4本の光線の始点の内、いちば
ん手前のものがz=0となるようにとる。 4本の光線の始点および方向を光線座標系に変換
し、z=0の面との交点ri=(rxi,ryi)、および
方向Si=(Six,Siy)=((dx/dz)i,(dy
/dz)i)を求める。 rxmax=max(rxi),rxmin=min(rxi),rymax
=max(ryi),rymin=min(ryi)およびsxmax=max
(|sxi|),symax=max(|syi|)を求める。 求める4平面は次式で与えられる。
The reflected / refracted light rays i corresponding to the four corners of the small area of the screen are obtained by Snell's law. The average of the four rays obtained is taken as the axial ray. An appropriate ray coordinate x-y-z with the axial ray as the z-axis is obtained. However, the origin is set so that the one in front of the starting points of the four rays is z = 0. The starting points and directions of the four rays are transformed into a ray coordinate system, and the intersection points r i = (r xi , r yi ) with the plane of z = 0 and the directions S i = (S ix , S iy ) = (( dx / dz) i , (dy
/ Dz) i ). r xmax = max (r xi ), r xmin = min (r xi ), r ymax
= Max ( ry ), rymin = min ( ry ) and sxmax = max
(| S xi |), symax = max (| s yi |) is calculated . The four planes to be obtained are given by the following equations.

【数3】 なお、x,y軸のとり方は任意であるが、焦線方向にあ
わせてとるのが効率的である。
[Equation 3] Although the x and y axes can be set arbitrarily, it is efficient to set them along the focal line direction.

【0039】この近似PBV作成法は最も単純なもので
あり、さまざま変形が考えられる。その例として、以下
のようなものが考えられる。 4隅の光線だけでなく、すべての画素に対応する光
線の反射・屈折光線を求め、これらを同様の手法でバウ
ンドすることも可能である。これにより追跡すべきすべ
ての光線がPBVに含まれることが保証される。 このPBVでは、光束が反射後に収束する場合は無
駄な空間を含む(図13(a))。したがって、収束光
束については図13(b)に示すような2つの近束光束
でバウンドする。
This approximate PBV creating method is the simplest, and various modifications can be considered. The following can be considered as an example. It is also possible to obtain not only the light rays at the four corners but also the reflected / refracted light rays corresponding to all the pixels, and bounce them by the same method. This ensures that all rays to be traced are included in the PBV. This PBV includes a useless space when the light flux converges after being reflected (FIG. 13A). Therefore, the convergent light flux is bounded by two near-flux light fluxes as shown in FIG.

【0040】小領域が一様なら、4隅の点から光源を見
込むPBVにより部分木を作り、影のテストをする。平
行光線なら、PBVは角柱となる。角柱を構成する各面
の方線ベクトルは場所に依存せずどこでも一定となるの
で、角柱を作るコストは小さい。
If the small area is uniform, a subtree is formed by PBV that looks into the light source from the four corners, and the shadow is tested. If the rays are parallel rays, the PBV becomes a prism. Since the direction vector of each surface forming the prism is constant regardless of location, the cost of forming the prism is small.

【0041】次に、以下のアルゴリズムを用意し、本発
明の高速化効果を示す。以下でAのアルゴリズムは2進
木構造の使用を前提とする。 A1 :BVのみを使う。 A2 :BVとソーティングを使う。 A2′:部分木とBVを使う。 A3 :部分木とBVおよびソーティングを使う。 A4 :全部を使う。(A3+一様性テスト) また、比較の対象としてArvoの手法を用いる。 B1 :Arvoのアルゴリズム
Next, the following algorithm is prepared to show the speed-up effect of the present invention. Below, the algorithm of A assumes the use of a binary tree structure. A1: Only BV is used. A2: Use BV and sorting. A2 ': Use subtree and BV. A3: Use subtree, BV, and sorting. A4: Use all. (A3 + uniformity test) The Arvo method is used as a comparison target. B1: Arvo algorithm

【0042】次の5種類のデータについて高速化の効果
の例を示す。 1)空間内に一定の半径の球を規則的に並べる。2通り
の半径の球を用意する。(2種類) 2)空間内にランダムな半径を持つ球をランダムに配置
する。(1種類) 3)1個および8個のティーポット(2種類)
An example of the effect of speeding up the following five types of data will be shown. 1) Regularly arrange spheres with a constant radius in the space. Prepare spheres with two different radii. (2 types) 2) Randomly arrange spheres having a random radius in the space. (1 type) 3) 1 and 8 teapots (2 types)

【0043】画像生成例を図14乃至図18に示す。生
成した画像の画素数は、512×512である。また、
小領域は8×8の大きさを基本としている。図14乃至
図16のプリミティブの総数は512であり、図17、
図18のそれは、それぞれ522,4416である。B
Vは軸に沿った直方体を使用している。
An example of image generation is shown in FIGS. The number of pixels of the generated image is 512 × 512. Also,
The small area is basically 8 × 8 in size. The total number of primitives in FIGS. 14 to 16 is 512, and FIG.
That of FIG. 18 is 522 and 4416 respectively. B
V uses a rectangular parallelepiped along the axis.

【0044】画像生成時間、交差判定回数を表1、表2
に示す。
The image generation time and the number of intersection determinations are shown in Tables 1 and 2.
Shown in.

【表1】 [Table 1]

【表2】 [Table 2]

【0045】この結果から、以下のように本発明のアル
ゴリズムの高速化効果がわかる。 (a) いずれのデータでもアルゴリズムA4が最も短時
間で画像を生成する。また、A3とB1を比較しても、
A3の画像生成時間がB1より少ない。 (b) A1とA2′の比較から部分木が高速化に寄与す
る効果が極めて高い。これは表2に示される如く、A
2′の交差判定回路が著しく減少することから得られる
効果である。 (c) 領域の一様性テストの効果は、プリミティブの大
きさに依存する。図15のように一様性領域の少ない場
合でも、高速化効果がある。 (d) A2において、BVとプリミティブの交差判定回
路を比較するとわかるように、ソーティングを用いるこ
とにより、木探索時のバックトラックが極めて少なくこ
とがわかる。
From these results, the speed-up effect of the algorithm of the present invention can be seen as follows. (a) Algorithm A4 generates an image in the shortest time with any data. Also, comparing A3 and B1,
The image generation time of A3 is shorter than that of B1. (b) From the comparison between A1 and A2 ', the effect that the subtree contributes to the speedup is extremely high. This is, as shown in Table 2, A
This is an effect obtained because the number of 2'crossing decision circuits is significantly reduced. (c) The effect of the region uniformity test depends on the size of the primitive. Even if the uniformity region is small as shown in FIG. 15, the speed-up effect can be obtained. (d) In A2, as can be seen by comparing the BV and primitive intersection determination circuits, it can be seen that backtracking during tree search is extremely small by using sorting.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明で
は、与えられた木構造の物体定義データから景分木を動
的に作り、木の深さを浅くすることにより、画像面(ス
クリーン)の小領域に投影される物体数は少なくなり、
交差判定回数を削減することができる。
As described above, according to the first aspect of the invention, a scene tree is dynamically created from the given object definition data having a tree structure, and the depth of the tree is made shallow, whereby the image plane ( The number of objects projected on a small area of
The number of intersection determinations can be reduced.

【0047】請求項2及び3の発明では、部分木の各ノ
ードレベルでの視点からの距離によりソーティング、小
領域内の物体の一様性テストを加えることにより、光線
と交差する候補物体の絞り込みが極めて効率よくでき、
さらに高速処理が可能になる。
According to the second and third aspects of the present invention, by sorting by the distance from the viewpoint at each node level of the subtree, and by adding the uniformity test of the objects in the small area, the narrowing down of the candidate objects intersecting the ray is performed. Can be done very efficiently,
Further, high speed processing becomes possible.

【0048】請求項4の発明では、反射・屈折光につい
ては、小領域毎に更に部分木を作り、該部分木を利用し
て光線追跡を行うことにより、1次光線のみならず反射
・屈折光による光線追跡の画像も同時に生成される。
According to the fourth aspect of the present invention, regarding reflected / refracted light, a subtree is further formed for each small region, and ray tracing is performed using the subtree, so that not only the primary ray but also the reflected / refracted light is reflected. An image of ray tracing by light is also generated at the same time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の光線追跡方法の原理図である。FIG. 1 is a principle diagram of a ray tracing method of the present invention.

【図2】本発明の一実施例の処理フロー図である。FIG. 2 is a processing flow chart of an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の続きの処理フロー図である。FIG. 3 is a subsequent process flow diagram of the present invention.

【図4】画像面(スクリーン)の分割を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing division of an image surface (screen).

【図5】物体定義データの木構造の一般例を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a general example of a tree structure of object definition data.

【図6】物体空間のバウンディングボリューム(BV)
の投影面積と交差判定コストの関係を示す図である。
FIG. 6 Bounding volume (BV) of object space
It is a figure which shows the relationship between the projected area and intersection determination cost.

【図7】部分木の最適化を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing optimization of a subtree.

【図8】部分木のソーティングの説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of sorting of partial trees.

【図9】小領域の一様性のテスト例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of a small area uniformity test.

【図10】同じく小領域の一様性のテスト例を示す図で
ある。
FIG. 10 is a diagram showing a test example of uniformity of small areas in the same manner.

【図11】近軸光束の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of paraxial light flux.

【図12】光束のバウンディングボリューム(PBV)
の構成例を示す図である。
FIG. 12: Bounding volume (PBV) of luminous flux
It is a figure which shows the structural example.

【図13】PBVの改良例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an improved example of PBV.

【図14】画像生成例である。FIG. 14 is an example of image generation.

【図15】画像生成例である。FIG. 15 is an example of image generation.

【図16】画像生成例である。FIG. 16 is an example of image generation.

【図17】画像生成例である。FIG. 17 is an example of image generation.

【図18】画像生成例である。FIG. 18 is an example of image generation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 視点(目) 2 画像面(スクリーン) 2′ 小領域 3 対象物体空間 4 光線 4′ 反射光線 BV バウンディングボリューム P 物体(プリミティブ) 1 viewpoint (eye) 2 Image plane (screen) 2'small area 3 Target object space 4 rays 4'reflected ray BV bounding volume P object (primitive)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 視点から物体の方向に向かって光線を追
跡して物体の輝度を求めながら画像を生成する方法にお
いて、木構造に階層化された物体定義データを用い、画
像面の小領域毎に、該小領域に投影される物体からなる
部分木を動的に作成し、該部分木を利用して光線追跡を
行うことを特徴とする光線追跡方法。
1. A method of generating an image while tracing a light ray from a viewpoint toward a direction of an object to obtain the brightness of the object, wherein object definition data layered in a tree structure is used, and each small area of an image plane is used. In addition, a ray tracing method is characterized in that a partial tree made up of objects projected onto the small area is dynamically created, and ray tracing is performed using the partial tree.
【請求項2】 追跡する光線に対して、部分木の各ノー
ドに設定されたバウンディングボリュームを視点からの
距離の近い順に動的に並べ換えて、該距離の近い順に部
分木を探索することを特徴とする請求項1記載の光線追
跡方法。
2. The subtrees are dynamically searched for in the order of closer distances from the viewpoint with respect to the ray to be traced, and the bounding volumes set in the nodes of the subtrees are dynamically rearranged. The ray tracing method according to claim 1.
【請求項3】 小領域に投影される物体が同一の物体で
占められるか否か判定し、同一の物体で占められる場合
には該小領域内での部分木の探索を省略することを特徴
とする請求項1あるいは2記載の光線追跡方法。
3. A method for determining whether or not an object projected on a small area is occupied by the same object, and when the object is occupied by the same object, a search for a subtree within the small area is omitted. The ray tracing method according to claim 1 or 2.
【請求項4】 反射・屈折光線については、小領域毎
に、該小領域から反射・屈折する光線の大多数を包含す
る角錘あるいは円錐を作り、該角錐あるいは円錐に含ま
れる物体からなる部分木を動的に作成し、該部分木を利
用して光線追跡を行うことを特徴とする請求項1、2あ
るいは3記載の光線追跡方法。
4. With respect to reflected / refracted light rays, for each small area, a pyramid or cone containing the majority of the light rays reflected / refracted from the small area is formed, and a portion consisting of an object included in the pyramid or cone. The ray tracing method according to claim 1, 2 or 3, wherein a tree is dynamically created and ray tracing is performed using the subtree.
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